vignette|upright=1|Schéma d'un pénétrateur à pointe de diamant utilisé pour une mesure de dureté.

Un matériau est qualifié de super dur, ou d'ultra dur, quand sa dureté Vickers dépasse 40 gigapascals..... Ce sont des solides très peu compressibles, à forte densité électronique et présentant des liaisons chimiques fortement covalentes. En raison de leurs propriétés uniques, ces matériaux sont d'un grand intérêt pour beaucoup d'applications industrielles, dont les abrasifs, les outils de découpe et de polissage, ou les revêtements de protection.

Le diamant est l'un des matériaux les plus durs connus à ce jour, avec une dureté Vickers dans la gamme des 70- (en 2009 une équipe internationale de recherche a montré que la lonsdaléite peut supporter une pression 58 % supérieure au diamant.). Il possède à la fois une bonne conductivité thermique et une faible conductivité électrique. Beaucoup d'efforts ont été déployés pour exploiter ses propriétés. Cependant, le diamant souffre de plusieurs inconvénients dont son coût élevé et ses problèmes d'oxydation au-dessus de ... De plus, il est soluble dans le fer et forme des carbures de fer à hautes températures ; il est donc inexploitable pour la découpe des matériaux ferreux, dont l'acier. C'est pourquoi les recherches sur les matériaux superdurs se sont concentrées sur le développement de composés plus stables thermiquement et chimiquement que le diamant pur.

Les matériaux superdurs sont en général classés en deux catégories : les intrinsèques et les extrinsèques. Le groupe des intrinsèques comprend le diamant, le nitrure de bore cubique (c-BN), les nitrures de carbone et les composés ternaires B-N-C qui sont naturellement durs à l'état massif. À l'inverse, la dureté et les autres propriétés mécaniques des extrinsèques sont déterminées par leur microstructure plus que par leur composition chimique.... Le diamant nanocristallin sous forme de nanopilier est un exemple de matériau superdur extrinsèque.

Les matériaux superdurs ne peuvent souvent être synthétisés que dans ces conditions de hautes températures et hautes pressions. Le développement de méthodes de synthèse à moindre coût font partie des activités de recherche dans ce domaine.

Définitions et mesures de la dureté En science des matériaux, il existe des définitions et des protocoles de mesure précis qui permettent de quantifier la notion intuitive de « dureté ». Dans le cas des matériaux dits « ultradurs », on s'intéresse en général non seulement à la dureté elle-même, mais également à d'autres propriétés mécaniques du matériau : les modules élastiques qui caractérisent son comportement élastique, et la ténacité qui caractérise sa résistance à la fracture. Ces différentes propriétés sont plus ou moins corrélées mais néanmoins bien distinctes, et permettent une caractérisation plus complète du matériau.

Échelles de dureté vignette|upright=1|Schéma d'un test de Vickers. vignette|upright=1|Marque d'indentation laissée dans un acier après un test de Vickers.

Historiquement, la dureté a d'abord été définie par la capacité d'un matériau à en rayer un autre, et quantifiée par un nombre entier ou parfois demi-entier ; c'est l'échelle de Mohs. Mais le caractère trop discret et non linéaire de cette échelle fut rapidement mis en évidence.

La mesure de la dureté est aujourd'hui faite selon plusieurs échelles dont les principales sont les échelles de Vickers, de Brinell, de Rockwell, de Knoop. Les détails du protocole et les domaines d'applications varient d'une échelle à l'autre, mais le principe est toujours le même : on appuie avec un « pénétrateur » sur le matériau à tester avec une force donnée. La valeur de la dureté se déduit alors de la taille de l'empreinte laissée par le pénétrateur dans le matériau. Le pénétrateur doit être réalisé dans un matériau beaucoup plus dur que le matériau à tester, typiquement le diamant.

L'échelle de Vickers est aujourd'hui largement acceptée comme le test le plus courant. La mesure se fait avec une pointe pyramidale normalisée en diamant de base carrée et d'angle au sommet entre faces égal à 136°. La force et la durée de l'appui sont également normalisées. L'empreinte a donc la forme d'un carré ; on mesure les deux diagonales et de ce carré à l'aide d'un appareil optique. On obtient la valeur en effectuant la moyenne de et . C'est qui sera utilisé pour le calcul de la dureté notée selon la relation

{|style="border:1px solid black;" cellpadding="15"

| avec | = dureté Vickers = force appliquée [N] = moyenne des diagonales de l'empreinte [mm]

Cependant, la mesure de la dureté des matériaux ultradurs peut être particulièrement délicate si celle-ci approche voire dépasse la dureté du matériau du pénétrateur. Il est alors facile de faire des erreurs d'interprétation et un soin particulier doit être apporté à la mesure. Celle-ci doit être réalisée à plusieurs reprises avec des chargements différents, et c'est le comportement asymptotique pour les forts chargements qui est considéré comme la valeur de dureté, c'est-à-dire la valeur obtenue quand le régime de déformation plastique est pleinement établi. Sans ces précautions, la dureté peut être facilement surestimée..

+ Dureté Vickers de divers matériaux.MatériauDiamantBC2NcBNcOsB2B4CReB2Dureté Vickers (GPa)1157648373022

Propriétés élastiques

L'incompressibilité d'un matériau est quantifiée par son module d'incompressibilité isostatique, noté en général ou , qui mesure sa résistance à un changement de volume sous l'effet d'une pression isostatique. Il est défini par , où V est le volume et P la pression. La mesure de ce module peut aussi être réalisée avec un indenteur. Les éléments avec un faible volume molaire et de grands forces interatomiques ont habituellement un fort module d'incompressibilité. Ce test fut le premier test à être utilisé comme mesure de dureté. Il a été montré qu'il était corrélé avec le volume molaire et l'énergie de cohésion par . On a cru que le module d'incompressibilité pouvait être utilisé comme une mesure directe de la dureté, mais cette idée est maintenant pratiquement abandonnée. Par exemple, les alcalins et les métaux nobles (Pd, Ag) ont des rapports anormalement élevés entre le module d'incompressibilité et la dureté Vickers ou Brinell. Au début des années 2000, une relation directe entre le module d'incompressibilité et la densité d'électrons de valence a été mise en évidence : plus il y a d'électrons de valence, plus ils exercent entre deux des forces répulsives dans la structure. Le module d'incompressibilité est toujours utilisé comme une mesure préliminaire de la superdureté d'un matériau, mais il est maintenant bien connu que d'autres propriétés doivent être prises en compte. Les matériaux durs ont un fort module d'incompressibilité, mais réciproquement un fort module d'incompressibilité ne signifie pas nécessairement que le matériau est dur.

Contrairement au module d'incompressibilité, le module de cisaillement mesure la résistance d'un matériau à un changement de forme sans changement de volume sous l'effet d'une contrainte de cisaillement. Il est défini comme le rapport entre la contrainte et la déformation en cisaillement par où F est la force appliquée, A est la surface sur laquelle la force s'applique, dx est le déplacement résultant et L est la longueur initiale. Le module de cisaillement est relié au module d'incompressibilité isostatique via le coefficient de Poisson via la relation . Pour les matériaux covalents, le coefficient de Poisson est typiquement de l'ordre de 0,1. Si un matériau contient des liaisons chimiques très directionnelles, il aura un module de cisaillement élevé et un coefficient de Poisson faible. Le module de cisaillement peut présenter une meilleure corrélation avec la dureté que le module d'incompressibilité.

Ténacité

La ténacité, c'est-à-dire la capacité d'un matériau à résister à la fracture sous l'effet d'un choc, est également liée à la dureté. Toutefois, un matériau superdur n'est pas nécessairement « supertenace ». Par exemple, la ténacité du diamant est d'environ 7-.., ce qui est grand par rapport à d'autres pierres fines ou à des céramiques, mais faible comparé à beaucoup de métaux et d'alliages - l'acier et les alliages d'aluminium ont des valeurs de ténacité au moins cinq fois plus grandes..

Les matériaux covalents ont en général de grandes constantes de raideur associée à la flexion des liaisons chimiques et un fort module de cisaillement ; ils sont des matériaux en général plus durs que, par exemple, les solides ioniques.

Un matériau est également considéré superdur s'il résiste à la déformation plastique. Dans un matériau avec des liaisons covalentes courtes, les dislocations mises en jeu dans une déformation plastique se forment moins facilement que dans des matériaux aux liaisons longues ou délocalisées. Si un matériau contient des liaisons délocalisées, alors il sera probablement mou.

Diamant

vignette|upright=1|Structures du diamant et du graphite.

Le diamant est un allotrope du carbone dans lequel les atomes sont arrangés selon une version modifiée d'un réseau cubique à faces centrées (fcc) appelée structure diamant. Il est connu pour sa dureté, son incompressibilité et fait l'objet de recherche en vue d'applications possibles pour ses propriétés optiques et électriques. Les propriétés du diamant naturel étant trop variables pour les besoins de l'industrie, la fabrication de diamant synthétique est devenue un thème de recherche majeur...

Diamant synthétique

La synthèse de diamant sous hautes pressions en 1953 en SuèdeA. S. Barnard, The diamond formula: diamond synthesis—a gemmological perspective, Butterworth-Heinemann, 2000 .H. Liander, « Artificial diamonds » ASEA Journal, 28, 97 (1955). et en 1954 aux États-Unis., permise par le développement de nouvelles techniques et instruments, fut un jalon important pour la synthèse de matériaux superdurs. Cette synthèse démontra clairement le potentiel des hautes pressions pour les applications industrielles, et stimula l'intérêt pour ce domaine de recherche. Quatre ans après la première synthèse de diamant artificiel, le nitrure de bore cubique c-BN fut fabriqué, et devient le deuxième matériau le plus dur.

Le diamant synthétique existe sous forme de monocristal, ou sous forme polycristalline, avec plusieurs grains séparés par des joints de grain. Les grains sont visibles à l'œil nu à cause des propriétés d'absorption et de diffusion de la lumière.. La dureté du diamant de synthèse est comprise entre 70 et ; elle dépend très fortement de la pureté du cristal. Plus la structure contient de défauts, moins le diamant est dur. Il a été montré que le diamant de synthèse, soit sous forme monocristalline ou sous forme d'agrégat, fabriqué à hautes pressions et hautes températures peut être plus dur que le diamant naturel.

Historiquement, on pensait que le diamant synthétique devait être structuralement parfait pour être utile. Ceci vient du fait que le diamant était surtout prisé pour ses qualités esthétiques, et que les petits défauts de structure ou de composition sont visibles à l’œil nu. Bien que ce soit vrai, les propriétés associées à de petits changement ont conduit à des applications nouvelles et intéressantes du diamant synthétique. Par exemple, doper le diamant à l'azote permet d'améliorer les propriétés mécaniques.. D'autre part, quand il est fortement dopé au bore (quelques pourcents), il devint un supraconducteur covalent..

Nitrure de bore cubique vignette|upright=1|Structure sphalérite du nitrure de bore cubique.

Synthèse